Meget effektiv, langtidsholdbar elektrokatalysator for at øge produktionen af ​​brintbrændstof

Når brint forbruges i en brændselscelle, som tager vandmolekylet H ₂ O og adskiller det i oxygen og brint, en proces kaldet elektrolyse, det producerer kun vand, el og varme. Som en kulstoffri energikilde, rækkevidden af ​​dens potentielle brug er ubegrænset i transport, kommerciel, industriel, bolig- og bærbare applikationer.

Mens traditionelle brintproduktionsprocesser krævede fossile brændstoffer eller CO ₂ , elektrolyse producerer "grøn brint" fra vandmolekyler. Da vand ikke kan opdeles til brint og ilt af sig selv, den elektrokemiske brint-vand omdannelse kræver højaktive elektrokatalysatorer. Den konventionelle vandelektrolyse, imidlertid, står over for teknologiske udfordringer for at forbedre effektiviteten af ​​vandspaltningsreaktionen for den træge iltudviklingsreaktion. Ædelmetalbaseret rutheniumoxid (RuO ₂ ) og iridiumoxid (IrO ₂ ) bruges til at øge oxygengenereringshastigheden. Imidlertid, disse ædelmetalkatalysatorer er dyre og viser dårlig stabilitet under langtidsdrift.

Ledet af Associate Director LEE Hyoyoung fra Center for Integrated Nanostructure Physics inden for Institute for Basic Science (IBS) placeret på Sungkyunkwan University, IBS-forskerholdet udviklede en meget effektiv og langtidsholdbar elektrokatalysator til vandoxidation ved brug af kobolt, jern og en minimal mængde ruthenium.

"Vi brugte amfifile blokcopolymerer til at kontrollere elektrostatisk tiltrækning i vores enkelt ruthenium (Ru) atom-bimetalliske legering. Copolymererne letter syntesen af ​​sfæriske klynger af carbonhydridmolekyler, hvis opløselige og uopløselige segmenter danner kernen og skallen. I denne undersøgelse, deres tendens til en unik kemisk struktur tillader syntesen af ​​den højtydende enkeltatomare Ru-legering, der findes på toppen af ​​den stabile koboltjern (Co-Fe) metalliske komposit omgivet af porøse, defekt og grafitisk carbonskal, " siger LEE Jinsun og Kumar Ashwani, studiets medførste forfattere.

"Vi var meget glade for at opdage, at præ-adsorberet overfladeoxygen på Co-Fe-legeringsoverfladen, absorberes under synteseprocessen, stabiliserer et af de vigtige mellemprodukter (OOH) under oxygengenereringsreaktionen, øge den samlede effektivitet af den katalytiske reaktion. Den præ-absorberede overfladeoxygen har været af ringe interesse, indtil vi fandt, " siger Associate Director Lee, den tilsvarende forfatter til undersøgelsen. Forskerne fandt ud af, at fire timers udglødning ved 750 grader C i en argonatmosfære er den mest passende betingelse for den oxygengenererende proces. Ud over det reaktionsvenlige miljø på værtens metaloverflade, det enkelte Ru-atom, hvor iltdannelse finder sted, udfylder også sin rolle ved at sænke energibarrieren, synergistisk forbedring af effektiviteten af ​​iltudvikling.

Forskerholdet evaluerede den katalytiske effektivitet med de overspændingsmetrikker, der er nødvendige for oxygenudviklingsreaktionen. Den avancerede ædle elektrokatalysator krævede kun 180 mV (millivolt) overspænding for at opnå en strømtæthed på 10 mA (milliampere) pr. cm ² af katalysator, mens rutheniumoxid havde brug for 298 mV. Ud over, den enkelte Ru-atom-bimetallegering viste langtidsstabilitet i 100 timer uden nogen ændring af strukturen. Desuden, kobolt- og jernlegeringen med grafitisk kulstof kompenserede også for elektrisk ledningsevne og øgede iltudviklingshastigheden.

Associate Director Lee siger, "Denne undersøgelse tager os et skridt tættere på en kulstoffri, grøn brintøkonomi. Denne meget effektive og billige iltgenererende elektrokatalysator vil hjælpe os med at overvinde langsigtede udfordringer ved raffineringsprocessen for fossile brændstoffer:at producere højrent brint til kommercielle applikationer til en lav pris og på en miljøvenlig måde."

Undersøgelsen blev offentliggjort online den 4. november i tidsskriftet Energi- og miljøvidenskab .